에너지 프로슈머 제도를 고려한 태양광 주택의 전력거래 유형별 수익성 비교에 관한 연구

1.1 연구배경 및 목적

최근 4차산업혁명이 대한민국의 새로운 성장동력으로 조명되면서 정부 차원의 다양한 정책 및 제도 지원이 추진되고 있으며, 에너지 산업 측면에서도 새로운 성장 기회가 도래하고 있다.

정부는 기후변화 대응 및 에너지 신성장 동력 확보를 위하여 2030년까지 재생에너지 발전량 비중 20%를 목표로 설정하는 ‘재생에너지 3020 이행계획(안)’을 발표하였다^[1].

본 계획에 따르면 신규 설비용량의 95% 이상을 태양광, 풍력 등 청정에너지로 공급할 계획이며 주체별 보급계획은 주택 등 자가용 2.4 GW, 협동조합 등 소규모 사업 7.5 GW, 농가 태양광 10 GW, 국민참여형 발전사업 및 대규모 프로젝트 28.8 GW를 통해 목표를 달성한다는 방침이다.

또한, 기후변화대응, 에너지 안보, 수요관리 등 에너지 분야의 주요 현안을 효과적으로 해결하기 위하여 신기술, 정보통신기술과의 융합을 통한 에너지신산업 활성화를 위한 새로운 제도가 실증되고 있으며^[2] 스마트시티 국가시범도시와 같은 국책 사업이 적극적으로 추진되면서^[3] 사업 성공의 장애 요소가 될 수 있는 각종 규제에 대한 규제 샌드박스 적용을 통한 신기술, 신규 사업모델에 대한 신속한 적용 의지를 보여주고 있다^[4].

이와 같이 국가 차원에서 신성장 모멘텀 확보를 위해 다양한 정책적 지원이 발표되고 있으나, 신재생 에너지 분야의 주택용 태양광 발전 경제성 분석 연구의 경우 자가 소비에 대한 내용이 주를 이루고 있으며^[5~7] 누진요금제도로 인하여 사용량이 많은 가구가 아니라면 효과가 미미할 수 밖에 없는 한계점이 확인되고 있다^[8].

이에, 에너지 프로슈머 제도 시범도입 등 새로운 외부 환경 변화를 적극 고려하여 주택용 태양광 발전 시스템의 경제성을 추가 수익 확보 측면에서 분석함으로써 태양광 도입의 활성화 가능성을 검토하고 향후 에너지 프로슈머 제도의 도입 검토 시 거래 조건, 인센티브 등 규칙 설계의 기초자료로 활용될 수 있도록 하고자 한다.

1.2 선행연구 고찰

기존의 선행연구들은 태양광 실제 발전량 데이터, 시뮬레이션 등의 방법을 통한 발전량을 기준으로 현재의 제도 내에서 자가 소비를 기준으로 주로 경제성을 분석하였다. 김태한 외(2017)는 서울시 햇빛지도, RPS 제도 및 장기간 실측 모니터링 자료를 연동한 복합적 관점의 경제성 분석을 제시하였다^[5]. 노상태 외(2015)는 태양광 성능 예측 도구로써 JIS 8907 기준을 적용하여 다수의 국내 농촌지역 소형 태양광 발전량 측정 데이터와 비교 후 충청북도 충주시 지역의 3kW급 태양광 발전설비의 설치사례를 파악한 후 충주시의 가구당 평균 전기사용량 데이터와 예측 발전량 값을 이용하여 산출한 전기요금을 바탕으로 현재가치법 분석을 통해 경제성 분석을 실시하였다^[6]. 김광원 외(2014)는 조사대상지 11가구를 선정 후 태양광발전량을 전력사용량에 합산한 전기요금과 태양광발전량을 합산하지 않은 순수 전력사용량의 전기요금 차이로 태양광시스템 설치 후 1년간 이익을 분석하고, 이를 통해 태양광 내구연한인 25년 동안의 비용편익비(B/C)를 구하여 경제성 평가 결과를 제시하였다^[7]. 전승호 외(2019)는 에너지저장장치(ESS) 활용 촉진 요금제도를 토대로 계약종별 B/C ratio를 계산하고 편익/비용 구성요소 비중을 분석한 후 0의 순현재가치를 유도하는 수준을 계산하였다^[9].

본 연구에서는 복합적 관점의 현실적인 사업성 평가 방법, 현재가치법 분석 등 상기 선행연구들의 경제성 분석 방법론을 참고하여 경제성 분석을 진행하였다. 그러나 다수 선행연구에서 에너지 프로슈머 제도와 연계한 경제성 분석은 부재한 점에 착안하여, 관련 제도 변화와 실증사업 현황을 분석 후 주택용 태양광발전시스템을 통한 발전량의 자가소비와 더불어 이웃간 거래 등 Case별 거래조건 및 이에 따른 수익률 변화를 제시하고자 한다.

1.3 에너지 프로슈머 현황

1.3.3 이웃 간 에너지 프로슈머 거래 실증사업

2016년 3월, 산업부와 한국전력은 수원 솔대마을과 홍천 친환경에너지타운 2곳에서 “프로슈머 이웃 간 전력거래” 실증사업을 실시하였다. 수원 솔대마을은 전체 18호 중 11호가 태양광을 보유하고 있는 전원마을이다, 홍천 친환경에너지타운은 19호 중 11호가 태양광을 보유하고 있는 친환경에너지타운 시범단지로 지정된 곳이다^[12].

실증사업의 참여주체별 역할 및 효과는 Table 1과 같고 실증사업 진행 결과 실증사업 첫 달 가구당 평균 편익은 프로슈머 2,116원, 소비자 46,317원으로 프로슈머의 편익이 매력적이지는 않은 것으로 나타났다^[13].

Table 1.

Role and effect by participants (참여주체별 역할 및 효과)

2.1 연구의 범위 및 절차

본 연구에서는 농림축산식품부와 한국농어촌공사에서 제공하는 ｢농촌주택 표준설계도｣를 기반으로 제작된 3D 건축물 모델링에 TRNSYS 시뮬레이션 툴을 활용하여 시뮬레이션 모델 구현을 통해 해당 주택의 소비량 데이터와 발전량 데이터를 추출한 후 이를 기반으로 경제성 평가를 수행하였다.

본 연구는 Fig. 1과 같은 절차로 진행하였다. 주택용 태양광 발전 시스템 경제성 분석에 관한 선행 연구 조사를 실시하였고, 이에 따른 경제성 분석 방법론을 참고하여 본 연구의 경제성 분석방법을 구상하였다. 이후 경제성 분석 데이터 확보를 위해 농촌주택 표준설계도를 선정하여 에너지 시뮬레이션을 위한 모델링을 진행하고 확보된 데이터를 기반으로 자가사용 및 에너지 프로슈머를 통한 부가 수익을 적용하여 경제성 분석을 수행하였다.

Fig. 1.

Research procedure diagram

2.2 시뮬레이션 정보

2.2.2 주택 모델

시뮬레이션 대상 주택은 농림축산식품부와 한국농어촌공사에서 제공하는 ｢농촌주택 표준설계도｣ 중 젊은세대 비농업가구형(농림-12-25-나-1 유형) 도면을 기준으로 하였으며 평면 구조는 Fig. 2와 같고 건물의 전체적인 형태는 Fig. 3과 같다^[14].

Fig. 2.

Target housing plan

Fig. 3.

Simulation Model

실제 주택의 데이터를 활용하여 연구를 하는 것이 바람직하나 데이터 확보의 현실적 제약사항이 있어 주택 신축수요자가 공간적･경제적･기술적 수준에 따라 적정 주택을 선택 할 수 있도록 한 ｢농촌주택 표준설계도｣를 기반으로 시뮬레이션에 활용하였다.

시뮬레이션에 사용하는 주택 면적은 84.32 m²로, 주택법 제2조 6항에 의거한 국민주택규모 85 m² 이하에 해당하도록 선정하였으며, 이는 1976년 국민주택계획에 사용된각 실의 크기를 종합하여 산정한 이후 현재까지 이어지고 있는 규모이다^[15].

시뮬레이션에 사용하는 주택은 전국의 외기 환경을 고려할 수 있도록 ｢건축물의 에너지절약설계기준 해설서(제2017-881호)｣의 지역 기준에 따라 중부1지역(강원도 철원군), 중부2지역(전북 고창군) 및 남부지역(전남 완도군)의 3개 지역을 검토하고 외벽, 인접벽, 바닥면과 창(로이유리 복층창)의 열관류율 기준을 적용하였다.

또한, 태양광 패널은 5 kW(300 W 모듈 16개)급 규모로 설치하는 것을 조건으로 설정하였고 가구 구성원은 국가통계포털의 인구총조사 결과 전국 평균 가구원수 2.4명을 준용하여 3명으로 가정하였다^[16].

Table 2.

Building Information

2.2.3 시뮬레이션 기상데이터

본 연구에서는 한국패시브건축협회에서 제공하는 EPW (Energy Plus Weather) 데이터를 활용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, EPW 기상데이터의 값으로 Table 3과 같이 평균 외기온도, 평균 상대습도 및 직달일사량을 인자로 활용하였다.

Table 3.

EPW Data

2.3 에너지 거래 방식 비교

에너지 프로슈머로서 생산한 전력에 대한 거래 방식에 따라 수익성이 달라지며, 이는 곧 주택용 태양광 보급률에 결정적 영향을 미칠 수 있다. 이러한 수익성은 거래 규칙을 어떻게 설정하는지에 따라 결정되며, 본 연구의 목적인 에너지 프로슈머의 최적의 경제성 방안 도출을 위하여 3가지의 거래 방식을 자체 기준에 따라 설정하고 이에 대한 예상 수익 변화를 살펴보고자 한다.

Case 1은 현행 태양광 상계거래 제도와 같이 생산된 에너지를 자가 소비하고 잉여 전력은 한전에 송출하는 방식이다. 송출된 잉여 전력은 이월, 적립했다가 전력 사용량이 생산량보다 많은 월에 추가 상계하여 처리하나, 적립된전력에 대해서는 보상하지 않는다. 수익은 발전에 따른 전기요금 절감량 및 누진요금을 적용하여 계산하였고 비용은 태양광 시스템 설치비는 산업부의 2019년 태양광 시스템 설치비 기준과 용량에 따른 보조금 기준에 따라 계산하였다^[17].

Case 2는 적극적인 전력 판매 방안으로, 태양광 시스템으로부터 생산된 전량을 P2P 방식으로 판매하고 에너지 소비는 한전으로부터 수전받는 방식이다. 거래는 에너지 프로슈머 플랫폼을 통해 판매자와 구매자가 자동으로 매칭되는 방식이며, 거래 시점에 누진단계가 높은 가구를 자동 연결하여 경제성을 최대로 확보할 수 있다. 이 경우 판매자는 플랫폼 사업자와 한전에 매출의 일정 비율로 수수료를 제공하게 된다.

수익은 발전된 전량을 누진 3단계 단가로 판매하고 비용은 태양광 시스템 설치비는 Case 1과 동일하며 프로슈머 플랫폼 수수료 및 한전 송전 수수료가 각 5%씩 발생하는 것으로 가정하였다.

Case 3은 생산된 에너지의 자가 소비 후 잉여 전력에 대하여 일정 단가로 한전에 판매하는 방식이다. 판매 단가는 규칙에 따라 달라질 수 있으나, 본 연구에서는 Table 4와 같이 산업부의 프로슈머 이웃간 전력거래 실증사업 실시 관련 보도자료의 예시 단가인 300원/kWh를 적용하여 계산하며, Case 2와 동일하게 한전에 일정 수수료를 제공하게 된다.

Table 4.

Example unit price of prosumer inter-neighbor trade case study (MOTIE, 2016) (프로슈머 이웃간 전력 판매 예시(산업부, 2016))1)

수익은 발전에 따른 전기요금 절감 및 잉여 전력의 한전 판매 대금이며, 이때 판매 단가는 산업부의 프로슈머 이웃간 전력거래 실증사업 단가를 준용하였고 비용은 태양광 시스템 설치비의 경우 Case 1과 동일하며 한전 송전 수수료를 5%로 가정하였다.

각 Case별 주요 수익과 비용항목 구성과 항목별 산출 내용을 각각 Table 5와 같이 정리하였다.

Table 5.

Income and cost by case (유형별 수익/비용 항목)

각 Case별 상세 거래조건은 Table 6과 같이 전력 판매대금과 수수료율을 변화시켜 Base, Alt 1, Alt 2의 3가지 거래조건의 변화에 따른 수익률의 변화를 살펴보고자 하였다.

Table 6.

Income and cost details (수익/비용 항목별 산출 내용)

2.4 경제적 타당성 분석 방법

본 연구에서 각 Case별 경제적 타당성 분석은 내부수익률(IRR: Internal Rate of Return)법을 활용하여 비교하고자 한다.

내부수익률(IRR)은 투자로부터 기대되는 총 편익의 현가와 총비용의 현가를 같게 하는 할인율을 말하며, 어떤 사업(투자안)의 순현재가치(NPV; Net Present Value)를 0으로 만드는 할인율로 아래의 식으로 나타낼 수 있다^[18].

$$ \sum \frac{B_t}{{\left(1+r\right)}^t}=\sum \frac{C_t}{{\left(1+r\right)}^t}$$

- B_t : 연차별 총편익
- C_t : 연차별 총비용
- r : 할인율(내부수익률)
- t : 기간

일반적으로 사업 진행 전에 내부수익률이 자본비용보다 크다면 해당 사업을 진행하는 것으로 결정하며, 보통의 경우 자본비용은 기준금리를 기준으로 삼는 것이 통상적이다. 즉, 기준금리보다 내부수익률이 더 높다면 해당 사업을 진행하는 것으로 결정하는 것이 일반적이다.

3.1 시뮬레이션 결과

3.1.1 시뮬레이션 조건

건축물에 사용된 재질에 대한 열적 특성, 창 특성 및 벽체 열적 특성은 Table 7, 8, 9와 같다.

Table 7.

Building Thermal Properties

Table 8.

Properties of Windows

Table 9.

Thermal Properties of Wall

시뮬레이션을 위한 건축물 내부 운영환경은 Table 10과 같이 난방온도는 20℃, 냉방온도는 26℃로 설정하였으며 환기는 1시간에 0.3회로 설정하였다. 이는 1시간에 실내 전체 공기 체적의 30%가 환기된다는 것을 의미한다.

Table 10.

Internal Environment

또한, 건축물의 재실 환경을 고려하여 주거 건물의 내부 발열 및 시스템 가동 행태 분석 연구 결과를 바탕으로 냉난방 가동율 및 가전기기 가동율을 Fig. 4와 같이 설정하였다^[19].

Fig. 4.

Time Schedule

3.1.2 연간 에너지 수요

시뮬레이션 결과 건축물의 냉방 및 환기 에너지 수요는 Table 11과 같이 예측되었으며 난방 에너지의 경우 우리나라의 특성상 난방 에너지원으로 가스나 등유를 주로 사용하므로 난방 수요에 대한 전력 사용은 고려하지 않도록 한다.

Table 11.

Annual Energy Demand

또한, 가전 및 조명 사용량은 외기의 영향과는 큰 상관이 없으므로 연간 사용량을 월 평균값으로 환산하여 매월 동일하게 적용하였다.

연간 가전 사용량은 Table 12와 같이 전력거래소의 2013년 가전기기 보급률 및 가정용전력 소비행태 조사 자료에 따라 2,704 kWh로 나타났다^[20]. 단, 본 연구에서는 단독주택 특성을 고려하여 냉장고와 TV를 2대씩 사용하는 것으로 조정하여 산출하였다.

Table 12.

Annual usage by appliance

조명 사용량의 경우 한국광산업진흥회 연구결과 평균 5 W/m²이며 본 연구의 대상 주택 면적은 84.3 m², 에너지관리공단 연구결과 주택부문 평균 점등시간 3.4시간을 감안하였을 때 연간 523.1 kWh로 산출되었다^[21,22].

연간 가전 사용량과 조명 사용량의 합은 3,227.1 kWh이고 이를 월 평균으로 환산 시 268.9 kWh로 계산되었다.

3.1.3 월별 에너지 수요와 발전량 비교

Table 13은 태양광 패널의 주요 특성을 나타내었으며, 이를 통해 시뮬레이션 된 발전량과 에너지 수요량을 비교하여 Table 14와 같이 제시하였다.

Table 13.

Properties of PV Panels

Table 14.

Monthly energy demand and generation

예측 결과, 연간 수요량 대비 태양광 발전량이 3개 지역 평균 576 kWh 가량 초과하는 잉여전력이 발생하는 것으로 나타났으며, 에너지 수요에 의한 전기 사용요금은 한전 요금표에 의한 주택용 전력(저압) 기준표의 사용량과 기본요금 및 누진단계 적용 시 3개 지역 평균 연간 617,763원으로 계산되었다(7월, 8월은 누진요금 단계 사용량이 완화된 별도 하계 요금 적용).

3.2 예상 수익 변화

태양광의 내구연한인 25년간의 타당성 분석 결과는 Table 15와 같이 나타났다.

Table 15.

IRR and Payback Period by case

현행 제도 기준으로 분석한 Case 1의 경우 5% 내외의 수익률을 보여주고 있으며, Case 2의 경우 거래조건이 불리해질수록 급격한 수익률 악화를 확인할 수 있었다. Case 3의 경우 모든 조건에서 8~10%의 수익률을 거둘 수 있는 것으로 확인되어 가장 유리한 거래유형인 것으로 판단된다.

Case별 누적 수익을 분석한 결과 투자 회수기간은 Case 1의 경우 11~14년, Case 2의 경우 최소 13년에서 최대 55년, Case 3의 경우 9~11년 내 투자 회수가 가능한 것으로 나타났다.

Fig. 5.

Average profit rate change by case

향후 경제적 상황 변화에 따른 원가 변동, 에너지 프로슈머 제도화에 따른 운영기준 확정 등에 따라 수익률과 투자 회수기간은 유동적일 수 있다.

종합적인 분석 결과 수익률에 가장 큰영향을 주는 요인은 판매단가로, 향후 에너지 프로슈머 제도 설계 시 판매단가, 거래 수수료율 등에 따라 거래 활성화, 주택용 태양광 확산의 선순환 구조정착 여부가 판가름 날 것으로 판단된다.